环太湖出入湖水量变化背景下东太湖水环境的水文影响要素

吴小靖，柳子豪，金美华，张亚洲，秦 灏

(江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏苏州 215006)

东太湖历史上水生植被发育良好，水质优良，是太湖向苏州市，乃至上海市、嘉兴市供水的重要饮用水源地。位于苏州市的庙港水源地、北亭子港水源地，以及上海市青浦金泽水源地、浙江省嘉善平湖水源地，都与东太湖密切相关。近些年来，东太湖出现水质下降、水体富营养化状况恶化的现象，特别是在2017年太湖大面积水华事件发生期间，东太湖也出现了一定规模的蓝藻水华[1]。据2021年苏州市水务局发布的水质监测报告，目前与东太湖相关的吴江区太湖庙港水源地、吴江区太湖北亭子港水源地，虽然水质都是饮用水达标状态，但相比全年保持Ⅱ类水范畴的环太湖其他水源地(如太湖镇湖水源地、太湖渔洋山水源地)，东太湖周边水源地水质则相对偏差，属于Ⅲ类水范畴[2]。

相关研究[3-6]表明，湖泊水环境会受到多种因素影响，包括外源污染物输入、湖泊水环境容量、水生植物群落、内源营养盐释放等。这些影响因素都与湖泊的水文要素密切相关，如外源污染物的输入就与入湖水量直接相关。作为湖泊水体水质恶化及生态系统受损的最重要原因，在入湖水量增加时，外源输入的污染物通量，特别是面源污染物通量也会随之增加，给湖泊带来更大的污染负荷[7]。此外，湖泊的水环境容量、水生植物的生长与湖泊水位之间也有着密切关系，适宜的湖泊水位可以促进水生植物的良好生长，进而改善湖泊水环境[5]。不同类型水文要素之间存在着紧密联系，其中入湖水量的增加，会在一定程度上抬高湖泊水位，进而造成出湖水量也随之增加；
对于湖泊水面面积来说，当湖泊水位抬升时，水面面积也会进一步扩张。但这种扩张的幅度有限，湖泊水面面积更多的是受到人类活动的影响，包括围网养殖、景观娱乐等。人类活动也同样影响着出、入湖水量的变化，包括通过水利工程调度、水源地取水等直接影响，以及下垫面条件变化造成降水产流增加背景下的入湖水量增加等间接影响。这要求在探究湖泊水环境的水文影响因素时，需要对不同类型水文要素进行统筹考虑。

东太湖水环境的良好稳定，关系着流域下游地区的供水安全。本次研究在环太湖出、入湖水量变化背景下，结合东太湖近年来供水量增加、围网养殖清除等活动，从水文角度出发，通过分析讨论东太湖水环境的潜在影响因素，提出针对性的建议。论文成果可以为后续开展东太湖水环境治理相关工作提供水文背景支持，对于保障东太湖水环境的稳定提升与区域供水安全具有重要意义。

1.1 研究区概况

东太湖位于太湖湖区东南部[图1(a)]，是一个狭长型的湖湾。全长约为27.5 km，宽约为9 km，水域面积约为131 km2，平均水深约为1.2 m，具有防洪、供水、水生态环境保护等综合功能。

东太湖南起东茭嘴，北端一直延伸至瓜泾口。湖泊水流主要来自东茭嘴以上太湖水域，而在东太湖西北侧的东山半岛上，有入湖河流27条[图1(b)]。20世纪90年代以前，东太湖以瓜泾口为主要出水通道，而在1991年太浦河开通之后，东太湖来水则主要通过太浦河下泄。目前沿东太湖东南湖岸有出湖河流21条，洪水主要经东南沿湖溇港及下游河网东排黄浦江、北排长江[图1(b)]。

东太湖是太湖流域下游地区的原水源头，承担着向江苏苏州、上海西南部、浙江嘉兴等地区供水的职责，这主要是通过直接取水，或经太浦河，向流域下游和黄浦江上游地区供给优质水资源。作为东太湖主要的出水通道，在太浦河沿岸建有太浦河青浦金泽水源地和太浦河嘉善平湖水源地，规划取水量分别为500万m3/d和95万m3/d。东太湖位于长三角生态绿色一体化示范区的核心位置，湖区水环境的稳定提升对于保障示范区的供水安全与高质量发展意义重大。

图1 (a)环太湖水资源分区示意图(b)东太湖周边水系图Fig.1 (a)Sketch Map of Water Resources Regionalization around the Lake Taihu (b)the Drainage Map around the Lake East Taihu

1.2 研究材料与方法

在本次工作中，搜集整理了1986年—2020年环太湖及各水资源分区出、入湖水量以及东太湖水位(洞庭西山站)等实测水文资料，数据来源于江苏省水文水资源勘测局。其中，作为太湖水环境治理的重要节点，自2007年无锡蓝藻事件暴发以来，武澄锡虞区入太湖口门严格控制，限制区域产水进入太湖；
同时“引江济太”工程也进一步地完善科学部署，环太湖出、入湖水量发生明显改变。因此，本次研究选择“太湖水环境综合治理”工程启动的2007年为关键时间节点，对环太湖出、入湖水量的时空变化规律开展分析研究。

在本次工作中，同样搜集了2005年—2020年东太湖水体总磷浓度资料，数据来源于江苏太湖湖泊生态系统国家野外科学观测研究站。

本次研究使用Office中Excel表格软件进行数据的处理和统计分析，使用ArcMap 10.7软件进行制图工作。

2.1 出、入太湖水量变化

2.1.1 入湖水量变化

在1986年—2020年，环太湖年均入湖水量为94.2亿m3。其中，年最大入湖水量发生在2016年(159.9亿m3)，年最小入湖水量发生在1986年(50.7亿m3)。在太湖水环境综合治理工程启动以来，环太湖入湖水量表现出显著增加的趋势，其中在2007年—2020年环太湖年均入湖水量为114.0亿m3，相较于1986年—2006年年均入湖水量增加了33.1亿m3，增幅约达40.9%(表1)。

表1 环太湖出、入湖水量变化Tab.1 Changes of Inflow and Outflow around Lake Taihu

从水资源四级分区来看，环太湖入湖水量主要来源于流域上游的湖西区与浙西区，分别占入湖水量的54.6%和22.7%。湖西区多年平均入湖水量为51.4亿m3，其中在2007年—2020年，湖西区年均入湖水量为71.8亿m3，较1986年—2006年增加34.0亿m3，增幅约达到89.9%，是环太湖入湖水量增加的主要来源(表1)。

而作为环太湖入湖水量的另一重要来源，浙西区入湖水量变化则相对稳定，多年平均入湖水量为21.4亿m3(表1)。但在年内太湖水位低于防洪控制水位的水资源调度期，浙西区入湖水量则表现出减少的趋势，其中2007年—2020年，浙西区水资源调度期年均入湖水量为7.2亿m3，较1986年—2006年减少1.6亿m3，降幅约为18.2%。

2.1.2 出湖水量变化

在1986年—2020年，环太湖年均出湖水量为96.5亿m3，其中最大出湖水量发生在2016年(167.3亿m3)，最小出湖水量发生在1994年(62.5亿m3)。与入湖水量的大幅增加类似，环太湖出湖水量也相应地表现出一定增加的趋势。其中，在2007年—2020年，环太湖年均出湖水量为107.7亿m3，较1986年—2006年增加18.7亿m3，增幅约为21.0%(表1)。

太浦河是太湖向流域下游地区行洪、供水的主要通道，环太湖水文巡测线于2005年移至太浦闸站。从2005年以来太浦河出湖水量的历年变化来看，除了在2013年，由于“太浦闸除险加固”工程的建设，该时期太浦河出湖水量降至历史最低的10.9亿m3。在此之后的2014年—2020年，太浦河出湖水量增幅明显，年均出湖水量为41.9亿m3，较2005年—2012年年均出湖水量增幅96.1%，占该时期环太湖出湖水量的35.2%。

2.2 东太湖水文要素变化

2.2.1 水位变化

环太湖出、入湖水量的变化，会直接影响到东太湖水位的变化。在1986年—2020年，东太湖多年平均水位为3.20 m，其中年平均最高水位为3.55 m，出现在2016年；
年平均最低水位为2.95 m，出现在1997年。

在历年变化上，东太湖年平均水位和最低水位整体呈一定抬高的趋势(图2)，以“太湖水环境综合治理”工程启动的2007年为节点，在2007年—2020年的年内平均水位和平均最低水位分别为3.28 m和2.88 m，较1986年—2006年的年内平均水位(3.15 m)和平均最低水位(2.70 m)分别抬升了0.13 m和0.18 m。

注：数据来源于洞庭西山站1986年—2020年水文监测资料。图2 东太湖年内平均水位、最高水位、最低水位历年变化Fig.2 Changes of Annual Average Water Level, Maximum Water Level and Minimum Water Level over the Years of the Lake East Taihu

不同于其他时期较大幅度的波动性变化，在2000年—2014年，东太湖年内最高水位表现出相对稳定的变化特征，这是由于在一轮“治太”工程建设完成后，环太湖出、入湖水量更多地受到水利工程的控制影响，这也使得该时期东太湖年最高水位也趋于稳定(图2)。其中，在“太湖水环境综合治理”工程启动的2007年之后，流域引江水量的进一步增加也使得东太湖年最高水位出现整体抬高的趋势(图2)。值得注意的是，在2014年之后，年最高水位的两次峰值均出现在发生流域性洪水事件的2016年和2020年，其他年份年最高水位变化也相对稳定。

流域年平均水位和最低水位是进行水资源调度和估算水环境本底容量的重要依据[4]，而最高水位则是反映太湖流域防汛形势的重要指标。水位的变化特征表明出、入湖水量的变化，在提高湖区的水资源承载能力和水环境容量的同时，并未带来额外的防洪压力。

2.2.2 水面面积变化

历史上东太湖水质优良，十分有利于水产养殖产业的发展。在20世纪90年代，地区开始发展水产养殖产业，此举为当地带来了良好的经济效益。但过度不节制的水资源开发利用，使得东太湖出现大面积、高密度的围网养殖[8]，特别是在1990年以后，围网养殖规模逐渐增大，到2007年，围网范围几乎覆盖整个东太湖水面(图3)。

图3 东太湖水面面积历年变化Fig.3 Changes of Water Surface Area of the Lake East Taihu

大面积的围垦和超密度围网养殖会产生阻滞水流等物理障碍效应，降低湖泊行蓄洪能力，影响流域防洪安全[9]。而农业围垦、围网养殖带来的污染叠加效应，也会加剧湖泊富营养化和水环境恶化，同时还伴随着污染底泥淤积、湖区沼泽化加剧等问题[10]。随着东太湖水环境问题的日益突出，2010年，“东太湖综合整治”工程全面启动。工程于2013年基本完工，共清退了130 km2以上的围垦区，并清除了绝大部分的围网养殖区，东太湖水面面积得到很好恢复(图3)。

3.1 入湖污染负荷增大

作为环太湖最主要的入湖来源，近年来环太湖入湖水量的增加，主要集中在湖西区入湖水量的增加上，湖西区入湖水量占总入湖水量的比例也从1986年—2006年的46.6%增加至2007年—2020年的63.0%。但湖西区入湖水质相对较差，《太湖流域健康状况报告》(2008年—2020年)显示，多年来湖西区入湖河流大多属于劣Ⅴ类水标准[11]，因此，湖西区入湖水量的增加无疑会向太湖湖区带来更大的污染物负荷。

以总磷为例，作为湖泊富营养化的重要控制因子，控制入湖总磷通量与湖体磷浓度一直是治理太湖富营养化的重点[12]。近年来，东太湖水体中总磷浓度也表现出整体增加的趋势，水体总磷质量浓度从2005年的0.052 mg/L升高至2020年的0.062 mg/L(图4)，湖区水质出现劣化趋势。湖西区入湖河流多年平均总磷质量浓度为0.226 mg/L，明显高于环太湖其他水资源分区。根据《太湖流域健康状况报告》统计数据，在2018年—2020年，湖西区年均总磷入湖污染负荷为1 536.8 t，占环太湖入湖污染负荷的78.0%[11]。此外，湖西区入湖水量与东太湖水体中总磷浓度之间也表现出正相关关系，这指示了湖西区入湖水量的增加，对东太湖水环境质量造成了负面影响，东太湖水体总磷浓度也随着入湖水量的增加出现增加趋势(图4)。

图4 (a)东太湖水体总磷浓度历年变化(b)东太湖水体总磷浓度与湖西区入湖水量相关关系Fig.4 (a) Annual Changes of TP Concentration of the Lake East Taihu (b)Relationship between TP Concentration of the Lake East Taihu and Inflow from the Huxi Hydraulic Region

作为另一个重要的入湖来源，浙西区水质则相对较好，多年水质监测报告[11]显示，浙西区入湖河流常年保持Ⅲ～Ⅳ类水标准。而值得注意的是，在浙西区年内入湖水量相对稳定的同时，在年内水资源调度期，浙西区入湖水量却表现出减少的趋势。其中，在2007年—2020年，年内水资源调度期浙西区年均入湖水量较1986年—2006年减少1.6亿m3。

总的来说，在环太湖入湖水量增加背景下，水质相对较差的湖西区入湖水量的增加，给太湖湖区带来了更大的污染物负荷；
而水质相对优良的浙西区在年内水资源调度期入湖水量的减少，也在一定程度上对湖区水环境产生负面影响。这些因素的叠加，会造成入太湖污染物通量的增加与太湖湖区水环境容量的降低，进而影响太湖整体及所属的东太湖湖区的水环境状态。

3.2 水体交换周期缩短

根据1986年—2020年环太湖出湖水量资料与太湖湖泊库容量变化，计算得到了历年太湖水体交换周期。从历年变化来看，太湖换水周期整体呈缩短的趋势(图5)。从各年代的换水周期对比来看，2010年的换水周期仅为179.3 d，明显短于前3个年代，特别是2016年，换水周期仅为127.2 d。太湖换水周期的缩短与环太湖出湖水量的增加直接相关，而出湖水量增加的根本原因则在于入湖水量增加背景下太湖水位的整体抬升。

图5 太湖换水周期历年变化Fig.5 Lake Residence Period of Lake Taihu

相关研究[13]表明，对于过水型湖泊，从入湖到出湖的过程中，当湖泊水体交换周期较长时，湖体自身可以在一定程度上去除水体中的氮、磷等营养盐。就太湖而言，上游主要入湖来源的湖西区来水水质较差，承载着较大的污染物负荷，其中总氮、总磷、蓝藻密度等指标均处于较高水平。在湖区西北部至湖区东部的水体交换过程中，污染物会在湖泊内通过物理、化学、生物和沉积等一系列过程进行自然沉降，从而达到改善水质的效果，这也使得东太湖、胥湖等主要出湖区域的水质相对较好[14]。因此，太湖并不同于一般需要尽可能缩短水力停留时间以减少蓝藻聚集的高氮、磷湖区(如洞庭湖[15]、鄱阳湖[16])，太湖换水周期的缩短会使得水体迁移过程中氮、磷等营养元素不能得到有效的降解，这也导致近年来东太湖来水水质持续变差，对东太湖水环境状况造成负面影响。

3.3 下游地区供水需求增加

在“太浦闸除险加固”工程建设完成以来，太浦闸已向下游增加供水34.8亿m3(截至2016年4月1日)。作为上海市四大饮用水水源地之一，2016年底黄浦江上游金泽水库建成使用，这使得流域下游地区从太浦河取水规模进一步增加。在2017年—2020年太浦河年均供水量达19.7亿m3，较2013年—2016年(11.3亿m3)增加8.4亿m3，增幅达到74.3%[17]。

向下游地区供水量的增加也体现在太浦闸日均下泄流量的增加上。在2016年—2020年，年内水资源调度期太浦闸日均下泄流量为109.1 m3/s，较2005年—2015年，年内该时期太浦闸日均下泄流量(55.4 m3/s)增幅约达96.9%(图6)。

注：数据来源于太浦闸2005年—2020年水文监测资料。图6 水资源调度期太浦闸日均下泄流量历年变化Fig.6 Annual Changes of Daily Discharge of Taipu Gate in Water Resources Scheduling Period

作为太湖流域下游地区的原水源头，东太湖通过太浦河向下游地区供水量的增加，会在一定程度上改变东太湖乃至太湖整体的水动力条件，加速水体的循环流动。一方面，会使得太湖中西部的湖水加快向太湖东南部的东太湖输入。目前，太湖整体的水质结构呈“西浊东清”的特征[14]，西北部湖区浊水的输入，无疑会给东太湖带来更大的污染物负荷。另一方面，通过太浦闸下泄流量的增加，也会直接影响东太湖的水动力场。而湖泊水动力条件的变化对于蓝藻水华事件的发生与水环境条件改变的影响是决定性的，这会反映在湖泊底泥污染物在垂直方向的上浮作用和蓝藻在水平方向的输移与聚集两个方面[18]。因此，近年来东太湖水环境状况的恶化，以及出现的蓝藻“水华”现象，与向流域下游地区供水量的增加同样密切相关，这需要在规划东太湖水源地管理与太浦河取水规模时进行科学部署。

3.4 湖区水生植被退化

湖泊水体中水生植被的覆盖度与湖泊水位之间，往往呈现出显著的负相关关系[19]。近年来，东太湖年最低水位与平均水位都表现出抬高趋势，而水位的抬高并不利于水生植被的萌发、生长与繁殖，这会使得湖泊水生植被生境不断恶化，水生植被呈现退化趋势[20]。当沉水植物减少后，水生植被对底泥再悬浮的控制能力也会大大下降，导致水体浑浊、水底光照和溶解氧浓度下降，进而促进了沉积物中内源营养盐的释放，进一步恶化东太湖水体的富营养化状态。

自2008年启动东太湖综合整治工程以来，东太湖围网养殖面积逐年递减，并于2019年全面拆除围网设施，东太湖自由水面面积得到全面恢复[21]。然而，围网养殖的全面拆除，对于东太湖水环境的潜在影响，仍存在一定的争议性。一方面，湖区围网养殖产业的清除可以减少因围网养殖产生的外在人为污染负荷输入；
而另一方面，作为浅水型湖泊，在围网拆除后，东太湖湖区的风浪扰动会进一步加大，这会造成湖泊底部沉积物的上浮并释放出大量内源营养盐，同时东太湖湖区的透明度也呈现出下降的趋势[22]。这些都不利于东太湖沉水型水生植物的生长和水生植物群落的合理化构建，需要在后续通过构建人工消浪设施等方式，营造湖泊良好生境所需的适宜水文条件，以促进东太湖水环境的提质稳定。

1)水质较差的湖西区入湖水量的大幅增加，向太湖输入了更大的污染物负荷，在2018年—2020年，湖西区年均总磷入湖污染负荷为1 536.8 t，占环太湖入湖污染负荷的78.0%[11]，这严重影响了太湖整体及所属的东太湖湖区水环境质量。此外，水质相对较好的浙西区在年内水资源调度期入湖水量的减少，也在一定程度上降低了太湖整体的水环境容量，破坏了太湖及所属东太湖的水环境稳定。

2)太湖水体交换周期在历年变化上呈现出缩短趋势，这会影响湖区水体交换过程中氮、磷等营养盐的有效沉降，进而影响东太湖来水水质。同时近年来，通过太浦闸向流域下游供水量的增加，也改变了东太湖乃至太湖湖区的水动力条件，加速了湖区西北部的浊水向东输入，对东太湖水环境造成影响。后续在东太湖水源地管理与太浦河取水规模等相关规划中，应对湖区水动力条件改变可能造成的水环境影响予以考虑与评估。